非貴金屬材料被認(rèn)為是用于氧還原反應(yīng)（ORR）的最有希望的催化劑，可以克服Pt基催化劑固有的缺陷，例如成本高、可獲得性有限和穩(wěn)定性不足。在這里，我們通過一種簡便且可擴展的策略來制造類似三明治的Co封裝的氮摻雜碳多面體/石墨烯（s-Co@NCP/rGO），即通過分別在聚氨酯（PU）海綿模板上加載Co基沸石咪唑酸酯骨架（ZIF-67）和氧化石墨烯（GO）層。3D夾層結(jié)構(gòu)在海綿模板的幫助下得以保持，從而促進(jìn)了ZIF-67衍生的Co嵌入的氮摻雜碳多面體（Co@NCP）的均勻分散，并防止了石墨烯板在退火過程中發(fā)生團(tuán)聚。最終產(chǎn)品對ORR具有相當(dāng)大的催化性能，半波電勢為0.85 V，與20 wt％的Pt/C相比，具有更好的穩(wěn)定性和更高的中毒耐受性，這是由3D三明治狀結(jié)構(gòu)N/Co-摻雜效應(yīng)、較大的可及表面積和分層多孔結(jié)構(gòu)決定的。催化劑出色的ORR性能意味著它們可以在Zn-空氣電池中用作陰極催化劑。在這樣的演示中，s-Co@NCP/rGO表現(xiàn)出1.466 V的高開路電壓、出色的長期耐用性以及186 mV/cm
2的出色峰值功率密度，這顯示了其作為潛在替代品的巨大潛力。在非貴金屬ORR催化劑領(lǐng)域中的廣泛實際應(yīng)用。
Figure 1. s-Co@NCP/rGO催化劑的合成示意圖。
Figure 2. （a）s-Co@NCP/rGO前體、（b）s-Co@NCP/rGO-800、（c）聚氨酯海綿模板、（d）s-Co@NCP/rGO前體中的ZIF-67和（e）s-Co@NCP/rGO-800中ZIF-67衍生的碳材料的SEM圖像。s-Co@NCP/rGO-800中ZIF-67衍生的碳材料的（f）TEM和（g）HRTEM圖像。（h）帶有元素映射的s-Co@NCP/rGO-800的STEM。（i）s-Co@NCP/rGO-800的結(jié)構(gòu)圖。
Figure 3. （a）s-Co@NCP/rGO-800的CV曲線。（b）不同樣品的SCV曲線。（c）比較不同催化劑的半波電勢和J
k@0.83V。（d）s-Co@NCP/rGO-800在不同轉(zhuǎn)速下的SCV曲線，以及（e）在不同電勢下的對應(yīng)K-L圖。（f）使用RRDE數(shù)據(jù)計算的ORR過程中過氧化氫的產(chǎn)率和s-Co@NCP/rGO-800和Pt/C的電子轉(zhuǎn)移數(shù)。（g）s-Co@NCP/rGO-800和Pt/C催化劑的計時安培響應(yīng)。（h）通過記錄5000次循環(huán)后的SCV曲線，對s-Co@NCP/rGO-800進(jìn)行長期耐久性測試。（i）在計時電流法測量過程中，在400s時將甲醇添加到KOH電解液中，進(jìn)行甲醇耐受性測試。
Figure 4. （a）鋅空氣電池的示意圖。（b）用萬用表測得的s-Co@NCP/rGO-800鋅空氣電池的開路電壓為1.466V。（c）使用兩個s-Co@NCP/rGO-800串聯(lián)的鋅空氣電池點亮LED的照片。（d）使用不同催化劑的鋅空氣電池的放電極化和相應(yīng)的功率密度曲線。（e）使用不同催化劑的鋅空氣電池的比容量。（f）s-Co@NCP/rGO-800和基于Pt/C的Zn-空氣電池的恒電流放電測試。
相關(guān)研究成果于2020年由哈爾濱工業(yè)大學(xué)Lei Zhao、Xu-Lei Sui和Zhen-Bo Wang課題組，發(fā)表在Nanoscale（DOI: 10.1039/c9nr09020g）上。原文：A sponge-templated sandwich-like cobaltembedded nitrogen-doped carbon polyhedron/graphene composite as a highly efficient catalyst for Zn–air batteries。
摘自《石墨烯雜志》公眾號：
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